平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 1 計測ひずみによる CFRP 翼構造の荷重 応力同定と損傷モニタリング 東北大学福永久雄 ひずみ応答の計測データ 静的分布荷重同定動的分布荷重同定 ひずみゲージ応力 ひずみ分布の予測 or PZT センサ損傷発生位置の推定発表内容 (1 荷重同定 1:11 点衝撃荷重同定 ( 荷重同定 : 分布荷重同定 (3 今後の予定 1 荷重同定問題の分類 (1 同定荷重の種類点荷重 分布荷重静的荷重 動的荷重例 :1 点衝撃荷重 ( 工具落下 雹雹 小石衝突小石衝突 鳥衝突等 静的分布荷重 ( 定常水平飛行時の空力荷重 動的分布荷重 ( 変動する運動荷重 突風荷重等 ( 実験的荷重同定と解析モデルに基づく荷重同定実験的荷重同定 : 実験的なデータのみを用いてひずみセンサ応答より荷重を同定解析モデルに基づく荷重同定 :FEM 等の解析モデルに基づいて ひずみ実験デひずみ実験データと解析データの誤差を最小化タの誤差を最小化実験的荷重同定法の利点 : 複雑な構造に適用可能
宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-13-009 荷重の種類 (1 1 点集中衝撃荷重 工具落下 雹 小石衝突 鳥衝突 ( 小領域の分布荷重 衝撃損傷の発生 CAI 強度の低下 飛行中の実時間モニタリング 危険の回避 地上での詳細な検査および修理 ( 分布荷重 飛行中の実時間モニタリング 静的空力荷重 ~ 応力状態のモニタリング 動的空力荷重 ~ 応力 変形状態のモニタリング変形状態のモニタリング 疲労損傷 制御 少ないセンサ数で高精度の荷重同定法の確立 3 CFRP 構造の実験的衝撃荷重同定 衝撃荷重位置 異物衝突 ひずみセンサ + 時間 衝撃荷重同定 層間はく離マトリックスき裂繊維破断等の評価 最大衝撃荷重 はく離面積 衝撃荷重と衝撃衝撃後残留強度解析損傷の関係 4
平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 3 衝撃荷重とひずみ応答との関係 ε ~ = G ( ~ f ひずみ応答インパルスハンマ (PZT センサ or ひずみゲージ z インパルスハンマンマ ε ~ : センサ応答 ~ f : 衝撃荷重 ~ f ( G : 変換行列 ( ε ~ ( : センサ位置 センサ ( : 荷重位置 5 実験的変換行列の決定法 衝撃荷重とセンサ応答との関係 { ε = G { f = F { g 最小二乗法 K H = { g { [ F k ]{ g g k = 1 mn ε { { 計測データ すべての格子点で変換行列を決定格子点内部は補間 6
4 宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-13-009 衝撃荷重位置 履歴同定荷重履歴同定 N F = { ε G ( f f = 1 Subjct to { f 0 mn { [ ( ]{ 同定荷重 f ( { ε = [ G ]{ f 誤差 { = [ G ( ] { f ( { ε ε G 推定値計測値荷重位置同定 N { DFP mthod mn H = { mthod =1 荷重位置 ( 7 圧電センサ応答による衝撃荷重同定 30mm PZT Snsor Snsor3 Snsor4 CFRP1 [45 / -45 4 / 45 ] s Snsor1 Snsor CFRP [0 /4 θ 45 / -45 / 90 ] s θ 300mm 4 個の PZT センサを埋め込んだ CFRP 積層板 8
平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 5 片持積層板の荷重位置同定結果 F D E A B (a ( CFRP1: [ 45 / -45 4 / 45 ] s (b CFRP: [ 0 / 45 / -45 / 90 ] s 位置誤 平均位置誤差 : 85 8.5mm 平均位置誤差 : 4.1mm Tru Idntfd d Snsor 9 片持積層板の衝撃荷重履歴同定 (a CFRP1: pont A (b CFRP: pont B 10
6 宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-13-009 補強パネル ( 30 33 30 39 39 39 39 39 39 1 (58 1 11 補強パネルの衝撃荷重位置 履歴同定 N (N c ( Fo or 350 300 Masurd Idntfd 50 00 rcpont ta 150 100 50 0 0 4 6 8 10 Tm (ms B A Tm (ms (N N c rc Fo or 350 Masurd 300 Idntfd d 50 Pont 00 B Masurd 100 Avrag rror 50 Idntfd d 0 0 4 6 8 Δ d 10 avrag = 9. mm ( Snsor Δ Tm (ms 1 150
平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 7 二点荷重を受ける 補強パネルの衝撃荷重位置 履歴同定 9% Forc1( インパクタ B 荷重履歴同定結果 17% Forc1 Forc :Tru locaton :Idntfd locaton Forc( インパクタ A 荷重履歴同定結果 13 積層板の衝撃荷重同定による損傷モニタリング Snsor3 Snsor4 mm m m 15 5 Snsor1 Snsor 落錘衝撃試験機 (JAXA および SACMA 試験片.8 8m mm m 4. 10mm ( ( 損傷無し : 半正弦波状荷重形状荷 z 同定荷重による損傷有無の判定定 ~ 荷重履歴形状からの推定 最大衝撃荷重からの損傷面積の推定 最大衝撃荷重とはく離面積の関係 はく離の直径 1.6cm ( ( 損傷あり : 刃状の荷重形状 14
8 宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-13-009 計測ひずみによる荷重分布同定 FEM モデル 逆解析 圧力分布から節点荷重を計算 ひずみ応答と荷重の関係式 f = H p { ε = [ G ]{ f { [ ]{ 有限要素法モデルの作製 u = f 節点荷重の同定 mn ε { f [ K ]{ = { { [ G ]{ f 節点におけるひずみを計算ず B u 圧力分布の同定 { ε = [ ]{ 1 { p = [ H] { f 計測点でのひずみ値を取得 ひずみ (1+ ( + 乱数 最大誤差 を計測値として与える与 15 静的計測ひずみによる圧力分布同定 同定結果 ( 節点力を最小二乗法で同定 荷重点 :30 点 計測ひずみ ( ε ε :48 点 ( 計測誤差 : 各点ひずみ (1+ 乱数 最大誤差 FEM 解析モデル 外力 ( 圧力分布 p ( = g ( h ( g ( = 1 h ( = 1 a b b b (a コード方向位置 : (a スパン方向 (b コード方向 (b コード方向位置 :3 圧力分布形状 (a = 1 1.b b = 04 0.4 分布外力同定結果 ( 計測誤差の影響大 16
平成 3 年度 JAXA 航空プログラム公募型研究報告会資料集 (3 年度採用分 9 多項式近似による圧力分布の表示表 圧力分布の多項式近似 ( = g ( h ( p m ( = a + a + a + L+ am g + 0 1 m n ( = b 0 + b 1 + b + L b n h + 係数決定問題に帰着着 { f = [ H ]{ c T { c = { c1 c L cn mn { c { ε [ G ][ H ]{ c c = a b c = a b c = a b 1 0 0 0 1 3 0b L 少ない未知数を同定 計測点数の減少 17 圧力分布同定結果 : 計測誤差 計測点数の影響計測点数の影響 有限要素分割分 : スパン方向 4 コード方向 8 0 100 コード ε ε 00 スパン 計測ひずみ ( 300 0.5 400 500 600 0 800 700 900 00 1000 300 1100 400 100 0.50 0 100 計測誤差 : 各点ひずみ (1+ 乱数 最大誤差 0.40 0.50 正解値 正解値 誤差 1% 0.40 0.30 誤差 5% 誤差 10% 0.30 圧力 0.0 圧力 0.0 0.10 0.10 0.0000 0.0000-0.10 0 00 400 600 800 1000 100 0 00 400 600 800 1000 100 スパン方向位置 スパン方向位置 計測誤差の影響 ( コード方向位置 : 計測点数の影響 ( コード方向位置 : 計測点数 : スパン方向 点計測誤差 : コード方向 点 18
30 宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-13-009 圧力分布同定結果 : 計測誤差 計測点数の影響計測点数の影響 力 圧 0.50 0.60 正解値 0.50 正解値 0.40 0.40 0.30 0.30 0.0 0.0 0.10 力 圧 0.10 0.0000 0.0000-0.10-0.10 0 00 400 600 800 1000 100 0 00 400 600 800 1000 100 スパン方向位置 スパン方向位置 計測点数の影響 ( コード方向位置 :00 計測点数の影響 ( コード方向位置 :00 計測誤差 : 計測誤差 : 19 今後の予定 年度研究目標研究課題と方法 H3 H4 ひずみ応答を用いたた 1 点集中衝撃荷重の衝撃荷重位置と荷重履歴の同定衝撃荷重位置と荷重履歴静的 動的荷重分布 圧力分布の多項式近似による係数決定問題の同定法の開発 最適なセンサ配置 適切化項導入による ll-posd 問題の改良を用いて 少数のセンサ計測により計測誤差にロバスバトな荷重同定法を開発する荷重分布同定法の確 荷重同定法の片持 CFRP 板による実験的検証と同定立と 同定した分布荷法の改良重からの応力 ひず 同定分布荷重による FEM による応力 ひずみの予測み分布予測法の開発 少数のひずみ計測データのみを用いた応力 ひずみみを用分布の予測 損傷発生位置推定法 同定した応力 ひずみ分布から損傷発生位置の推定 H5 の開発 および 本手 CFRP 補強パネルおよび落錘衝撃を受ける積層板法の集中荷重問題へに適用し 本研究で提案する手法の妥当性の検証の適用と妥当性検証 0